(57)【要約】【課題】  閾値電流密度の増大を防ぎ、素子寿命を長くすることができる、信頼性の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】  ＧａＡｓよりなる基板１１上に、井戸層と障壁層との多重量子井戸構造を有する活性層１６を備えている。井戸層はＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成されており、活性層１６の基板１１に対する格子不整合性が２％以上と大きくなっている。活性層１６は不純物として炭素（Ｃ）を含有しており、この不純物としての炭素により、井戸層においてインジウムの偏析が抑えられ、活性層１６の基板１１に対する格子不整合性が大きくても、井戸層内で濃度が局所的にばらつくことが抑制される。よって、井戸層内の状態密度が均一化され、利得および電流密度が均一化される。これにより、閾値電流密度が低くなり、素子寿命が伸びて信頼性が向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、前記基板に対する格子不整合性が２％以上の活性層を備えた半導体発光素子であって、
前記活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層は、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造を有し、前記井戸層の前記基板に対する格子不整合性が２％以上であると共に、前記井戸層および前記障壁層のうちの少なくとも一方に炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
発振波長が１．２μｍ以上である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記不純物としての炭素の濃度は、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記井戸層は、３Ｂ族元素のうちガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）およびヒ素（Ａｓ）の少なくとも１種とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記井戸層はＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記基板は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）により構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項８】
基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ混晶よりなる活性層を備えた半導体発光素子であって、
前記活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
前記活性層は、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造を有し、前記井戸層および前記障壁層のうちの少なくとも一方に炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記不純物としての炭素の濃度は、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下である
ことを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記井戸層はＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記基板は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）により構成されている
ことを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
基板上に、前記基板に対する格子不整合性が２％以上の活性層を備えた半導体発光素子の製造方法であって、
前記活性層に不純物として炭素（Ｃ）を添加する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記活性層を、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造とし、前記井戸層の前記基板に対する格子不整合性を２％以上とすると共に、前記井戸層および前記障壁層のうちの少なくとも一方に炭素（Ｃ）を添加する
ことを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
発振波長を１．２μｍ以上とする
ことを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記不純物としての炭素の濃度を、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下にする
ことを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記井戸層を、３Ｂ族元素のうちガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）およびヒ素（Ａｓ）の少なくとも１種とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成する
ことを特徴とする請求項１４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記井戸層をＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成する
ことを特徴とする請求項１７記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記基板を、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）により構成する
ことを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
基板上に、ＧａＩｎＮＡｓよりなる活性層を備えた半導体発光素子の製造方法であって、
前記活性層に不純物として炭素（Ｃ）を添加する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記活性層を、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造とし、前記井戸層および前記障壁層のうちの少なくとも一方に炭素（Ｃ）を添加する
ことを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記不純物としての炭素の濃度を、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下にする
ことを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記井戸層をＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成する
ことを特徴とする請求項２１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記基板を、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）により構成する
ことを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
基体上に半導体発光素子を備えた光学モジュールであって、
前記半導体発光素子は、前記基板に対する格子不整合性が２％以上の活性層を有すると共に、前記活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする光学モジュール。
【請求項２６】
前記活性層は、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造を有し、前記井戸層の前記基板に対する格子不整合性が２％以上であると共に、前記井戸層および前記障壁層のうちの少なくとも一方に炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする請求項２５記載の光学モジュール。
【請求項２７】
前記半導体発光素子の発振波長が１．２μｍ以上である
ことを特徴とする請求項２５記載の光学モジュール。
【請求項２８】
前記不純物としての炭素の濃度は、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下である
ことを特徴とする請求項２５記載の光学モジュール。
【請求項２９】
前記井戸層は、３Ｂ族元素のうちガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）およびヒ素（Ａｓ）の少なくとも１種とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成されている
ことを特徴とする請求項２６記載の光学モジュール。
【請求項３０】
前記井戸層はＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項２９記載の光学モジュール。
【請求項３１】
前記基板は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）により構成されている
ことを特徴とする請求項２５記載の光学モジュール。
【請求項３２】
基体上に半導体発光素子を備えた光学モジュールであって、
前記半導体発光素子は、基板上にＧａＩｎＮＡｓよりなる活性層を有すると共に、前記活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする光学モジュール。
【請求項３３】
前記活性層は、井戸層および障壁層を含む多重量子井戸構造を有し、前記井戸層および前記障壁層のうちの少なくとも一方に炭素（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする請求項３２記載の光学モジュール。
【請求項３４】
前記不純物としての炭素の濃度は、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下である
ことを特徴とする請求項３２記載の光学モジュール。
【請求項３５】
前記井戸層はＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項３３記載の光学モジュール。
【請求項３６】
前記基板は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）により構成されている
ことを特徴とする請求項３２記載の光学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長波長発光素子として好適な半導体発光素子およびその製造方法、並びにこの半導体発光素子を用いた光学モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
１．２μｍ以上の長波長で発光する半導体発光素子は、光通信システムやバイオセンシングなど多様な応用分野を有している。特に１．３μｍまたは１．５５μｍの発振波長を有する半導体発光素子は、主に光通信用途に利用され、今後の通信技術の核となるものである。このような通信用長波長発光素子の活性層には現在様々な材料が用いられているが、中でもＧａＩｎＮＡｓ混晶は、低コストかつ大口径化が可能なＧａＡｓ基板上に作製することができる活性層材料として、近年有望視されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
ＧａＡｓ基板上でＧａＩｎＮＡｓ活性層を用いて発振波長１．２μｍ以上の発光を得るためには、インジウム（Ｉｎ）組成を大きくするか、または窒素（Ｎ）組成を大きくする必要がある。しかし、窒素は他の構成元素に比べて原子半径が大きく異なること、また電気陰性度が異なることから、窒素組成をあまり大きくしないようにすることが望ましいと考えられている。そこで、インジウム組成をある程度大きく、例えば２０％以上に増やす必要がある。
【非特許文献１】Ｋ．ナカハラ（K. Nakahara ），外４名、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸レーザの１．３μｍ連続動作（1.3um continuous-wave lasing operation in GaInNAs quantum-well lasers ），「フォトニクス・テクノロジー・レターズ（Photonics Technology Letters）」，（米国），ＩＥＥＥ（The Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc.），１９９８年４月，第１０巻，第４号，ｐ．４８７−４８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のようにＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ活性層を用いた量子井戸レーザでは、インジウム組成を大きくした場合、活性層の基板に対する格子不整合性が２％以上と大きくなり、また、成長条件によってはインジウムが凝集しやすいので、井戸層内でインジウム濃度分布（偏析）が発生してしまうおそれがある。このようなインジウムの濃度分布は、活性層内の状態密度の分布に繋がり、そのため活性層内で利得が不均一となり、閾値電流密度が増大し、素子寿命が短縮されるなど信頼性に大きな影響が生じてくる。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、閾値電流密度の増大を防ぎ、素子寿命を長くすることができる、信頼性の向上した半導体発光素子およびその製造方法、並びに光学モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による第１の半導体発光素子は、基板上に、前記基板に対する格子不整合性が２％以上の活性層を備えたものであって、活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有するものである。炭素の濃度は、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下の範囲とすることが望ましい。
【０００７】
本発明による第２の半導体発光素子は、基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ混晶よりなる活性層を備えたものであって、活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有するものである。炭素の濃度は、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下の範囲とすることが望ましい。
【０００８】
本発明による第１の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、基板に対する格子不整合性が２％以上の活性層を備えた半導体発光素子を製造するものであって、活性層に不純物として炭素（Ｃ）を添加するようにするものである。
【０００９】
本発明による第２の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ混晶よりなる活性層を備えた半導体発光素子を製造するものであって、活性層に不純物として炭素（Ｃ）を添加するようにするものである。
【００１０】
本発明による第１の光学モジュールは、上記第１の半導体発光素子、本発明による第２の光学モジュールは、上記第２の半導体発光素子をそれぞれ備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の半導体発光素子またはその製造方法によれば、活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有させるようにしたので、この不純物としての炭素により、活性層の基板に対する格子不整合性が２％以上に大きくなっても、活性層内で濃度が局所的にばらつくことを抑制することができる。よって、活性層内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができる。これにより、閾値電流密度を低下させ、素子寿命を長くして信頼性を高めることができ、特に、基板をＧａＡｓ、活性層をＧａＩｎＮＡｓにより構成した場合には、信頼性の向上した長波長発光素子を実現することができる。
【００１２】
本発明の第２の半導体発光素子またはその製造方法によれば、ＧａＩｎＮＡｓ混晶よりなる活性層に不純物として炭素（Ｃ）を含有させるようにしたので、この不純物としての炭素により、活性層におけるインジウム（Ｉｎ）の偏析を抑制することができる。よって、活性層内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができる。これにより、閾値電流密度を低下させ、素子寿命を長くして信頼性の高い長波長発光素子を得ることができる。
【００１３】
本発明の第１または第２の光学モジュールによれば、本発明による第１または第２の半導体発光素子をそれぞれ備えているので、信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（半導体レーザ）
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面構成を表すものである。この半導体レーザ１０は、通信用などに用いられる発振波長１．２μｍ以上の長波長レーザであり、例えば、基板１１の表側に、第１クラッド層１２，第２クラッド層１３，第３クラッド層１４，第１光ガイド層１５，活性層１６，第２光ガイド層１７，第４クラッド層１８，第５クラッド層１９，第６クラッド層２０およびコンタクト層２１が、基板１１側から順に積層された構成を有している。第５クラッド層１９，第６クラッド層２０およびコンタクト層２１は細い帯状の突条部（リッジ）となっており、その両側には二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）などよりなる絶縁層２２が形成されている。
【００１６】
基板１１は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に厚みという）が４５０μｍ程度であり、ケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型ＧａＡｓにより構成されている。
【００１７】
第１クラッド層１２は、例えば、１μｍ以上の十分な厚みを有し、ケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ混晶により構成されている。第２クラッド層１３は、例えば、厚みが１００ｎｍ程度であり、ケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型ＧａＡｓにより構成されている。第３クラッド層１４は、例えば、厚みが２００ｎｍ程度であり、ケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型Ａｌ0.47Ｇａ0.53Ａｓ混晶により構成されている。
【００１８】
第１光ガイド層１５は、例えば、厚みが１００ｎｍ程度であり、不純物を含まないＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ混晶（０≦ｘ＜１）、具体的には例えばＧａＡｓにより構成されている。
【００１９】
図２（Ａ）は、活性層１６のバンド構造を概略的に表したものである。活性層１６は、例えば、井戸層１６Ａと障壁層１６Ｂとの多重量子井戸（ＭＱＷ；Multi Quantum Well）構造を有し、その合計厚みは例えば６０ｎｍ程度である。井戸層１６Ａは、例えば、３Ｂ族元素のうちガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）およびヒ素（Ａｓ）のうちの少なくとも１種とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって構成されるもので、本実施の形態では、例えばＧａ1-y1Ｉｎy1Ｎz1Ａｓ1-z1混晶（０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１≦１）により構成されている。障壁層１６Ｂは、例えば、Ｇａ1-y2Ｉｎy2Ｎz2Ａｓ1-z2混晶（ｙ１＞ｙ２もしくはｚ１＞ｚ２，０≦ｙ２＜１，０≦ｚ２＜１）、具体的には例えばＧａＡｓにより構成されている。
【００２０】
本実施の形態では、井戸層１６Ａを構成するＧａ1-y1Ｉｎy1Ｎz1Ａｓ1-z1混晶（０＜ｙ１≦１，０＜ｚ１≦１）におけるインジウム組成ｙ１がある程度高く（例えば、ｙ１＝０．２０）なっており、そのため活性層１６の井戸層１６Ａと基板１１を構成するＧａＡｓとの格子不整合性が２％以上に大きくなっている。なお、井戸層１６Ａの基板１１に対する格子不整合性は、井戸層１６Ａの格子定数から基板１１の格子定数を差し引き、その差を基板１１の格子定数で割り、得られた値に１００を乗じることにより求められる。
【００２１】
活性層１６の井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂは、不純物として炭素（Ｃ）を含有している。前述のように、活性層１６の井戸層１６Ａ内においてインジウムが偏析すると、井戸層１６Ａの基板１１に対する格子不整合性が井戸層１６Ａ内で局所的にばらつき、図２（Ｂ）の点線で示したように井戸層１６Ａ内に状態密度のゆらぎが生じ、その結果、閾値電流密度が増大して素子寿命が低下する。本実施の形態では、活性層１６に不純物として炭素を添加することにより、このインジウムの偏析を抑制し、図２（Ｂ）の実線で示したように状態密度のゆらぎを抑えて、利得および電流密度を均一化することにより閾値電流密度を低下させ、素子寿命を伸ばして信頼性を高めるものである。
【００２２】
不純物としての炭素の濃度は、例えば、５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下であることが好ましい。５×１０16（ｃｍ-3）よりも低いと井戸層１６Ａ内における格子不整合性のばらつきを十分に抑制することが難しいからである。また、２×１０18（ｃｍ-3）よりも大きいと炭素の含有量が多すぎて結晶性の乱れが大きくなってしまうおそれがあるからである。また、ｐ−ｎ接合の位置が活性層１６の位置と離れることにより効率的なキャリアの注入が阻害される可能性があるために誘導放出に必要な閾値電流量が増加する可能性があるからである。更に、不純物としての炭素の濃度は、例えば１×１０17（ｃｍ-3）以上１×１０18（ｃｍ-3）以下であればより好ましい。
【００２３】
なお、炭素は従来より活性層のｐ型不純物として高周波特性を向上させる等の目的で使用されているが、ＧａＩｎＮＡｓ混晶よりなる活性層の場合にはｐ型不純物として炭素を含有させることは行われておらず、そのような記載を含む文献も本発明者の知り得るところでは開示されていない。むしろ、一般的には、ＧａＩｎＮＡｓ混晶を形成する場合にはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法ではメチル基（ＣＨ3 ）からの炭素の混入を防止しきれないので望ましくないと考えられており、炭素を含まない系で成長可能なＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；電子ビーム蒸着）法が広く採用されている。また、本実施の形態では活性層１６の基板１１に対する格子不整合性が２％以上と極めて大きいが、このように格子不整合性が大きくなる材料系はごく限られている。一般に格子不整合性が大きいと考えられているＩｎＧａＡｓ混晶であっても、例えばＹＡＧ励起用の場合、インジウム組成は１０％程度、格子不整合性は０．７１２％程度である。ＺｎＣｄＳｅの場合も、格子不整合性は２％には達しない。その他、ＡｌＧａＡｓ混晶，ＧａＩｎＰ混晶またはＡｌＧａＩｎＰ混晶などの格子不整合性はいずれも１％未満であり、格子の歪みはほとんどない。
【００２４】
井戸層１６Ａは、実質的にアルミニウム（Ａｌ）を含まないことが好ましい。ＧａＩｎＮＡｓ混晶よりなる井戸層１６Ａにアルミニウムが含まれていると劣化のおそれがあるからである。
【００２５】
第２光ガイド層１７は、例えば、厚みが１００ｎｍ程度であり、不純物を含まないＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ混晶（０≦ｘ＜１）、具体的には例えばＧａＡｓにより構成されている。
【００２６】
第４クラッド層１８は、例えば、厚みが２００ｎｍ程度であり、亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を添加したｐ型Ａｌ0.47Ｇａ0.53Ａｓ混晶により構成されている。第５クラッド層１９は、例えば、厚みが１００ｎｍ程度であり、亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＡｓにより構成されている。第６クラッド層２０は、例えば、１μｍ以上の十分な厚みを有し、亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を添加したｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ混晶により構成されている。
【００２７】
なお、第１クラッド層１２および第６クラッド層２０は同じ屈折率ｎ１を有し、第２クラッド層１３および第５クラッド層１９は同じ屈折率ｎ２を有し、第３クラッド層１４および第４クラッド層１８は同じ屈折率ｎ３を有している。屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３は、ｎ１，ｎ３＜ｎ２の関係を満たすことが好ましい。
【００２８】
コンタクト層２１は、後述するｐ側電極とのオーミック接合をとるためのものであり、例えば、厚みが１００ｎｍ程度であり、亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を高濃度に添加したｐ型ＧａＡｓにより構成されている。
【００２９】
また、この半導体レーザ１０は、基板１１の裏側に、ｎ側電極３１を有している。ｎ側電極３１は、例えば、金（Ａｕ）層，金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層および金（Ａｕ）層を基板１１の側から順に積層し、熱処理により合金化した構造を有しており、基板１１を介して第１クラッド層１２と電気的に接続されている。一方、コンタクト層２１の上には、ｐ側電極３２が設けられている。ｐ側電極３２は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をコンタクト層２１の側から順に積層し、熱処理により合金化した構造を有しており、コンタクト層２１と電気的に接続されている。
【００３０】
なお、この半導体レーザ１０では、例えばコンタクト層２１の長さ方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、この一対の共振器端面に図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方の反射鏡膜の反射率は低くなるように、他方の反射鏡膜の反射率は高くなるようにそれぞれ調整されている。これにより、活性層１６において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、一方の反射鏡膜からレーザビームとして出射するようになっている。
【００３１】
この半導体レーザ１０は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３２】
まず、例えば、上述した厚みおよび材料よりなる基板１１の表側に、例えばＭＯＣＶＤ法により、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなる第１クラッド層１２，第１ガイド層１３，第３クラッド層１４および第１光ガイド層１５を順に積層する。
【００３３】
次いで、第１光ガイド層１５の上に、同じくＭＯＣＶＤ法により、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの多重量子井戸構造を有する活性層１６を形成する。このとき、活性層１６の井戸層１６Ａに不純物として炭素（Ｃ）を添加する。その方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長の過程で、有機金属原料の分解に伴って生成されたメチル基（ＣＨ3 ）によるオートドーピングを利用するという方法が挙げられる。その場合、成長温度を高くしたり、またはＶ／ＩＩＩ比などを調節することにより井戸層１６Ａに含まれる炭素の濃度を変化させることが可能である。あるいは、ＭＯＣＶＤ装置の炉内に四臭化炭素（ＣＢｒ4 ）または四塩化炭素（ＣＣｌ4 ）などを供給することにより、意図的に炭素を添加するようにしてもよい。特にＣＢｒ4 はＣＣｌ4 に比べて配管を損傷するおそれが少ないので好ましい。また、これらの方法を併用してもよい。
【００３４】
続いて、活性層１６の上に、同じくＭＯＣＶＤ法により、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなる第２光ガイド層１７，第４クラッド層１８，第５クラッド層１９，第６クラッド層２０およびコンタクト層２１を順に積層する。
【００３５】
そののち、例えばエッチングにより、第５クラッド層１９，第６クラッド層２０およびコンタクト層２１の一部を選択的に除去し、細い帯状の突条部（リッジ）とする。第５クラッド層１９，第６クラッド層２０およびコンタクト層２１を細い帯状の突条部としたのち、その両側に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ；化学気相成長）法により、上述した材料よりなる絶縁層２２を形成する。
【００３６】
絶縁層２２を形成したのち、例えば、基板１１の裏側を研削して基板１１の厚みを１００μｍ程度とし、基板１１の裏側にｎ側電極３１を形成する。また、絶縁層２２に、例えばエッチングにより、コンタクト層２１に対応して開口を設け、コンタクト層２１および絶縁層２２の上に、ｐ側電極３２を形成する。ｎ側電極３１およびｐ側電極３２を形成したのち、基板１１を所定の大きさに整え、コンタクト層２１の長さ方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザ１０が形成される。
【００３７】
この半導体レーザ１０は、ｎ側電極３１とｐ側電極３２との間に所定の電圧が印加されると、コンタクト層２１，第６クラッド層２０および第５クラッド層１９により電流狭窄された電流が活性層１６に注入され、電子−正孔再結合による発光が起こる。ここでは、活性層１６が不純物として炭素を含有しているので、井戸層１６Ａにおいてインジウムの偏析が抑えられ、活性層１６の基板１１に対する格子不整合性が２％以上と大きくなっても、井戸層１６Ａ内でインジウム濃度が局所的にばらつくことが抑制される。よって、井戸層１６Ａ内の状態密度が均一化され、利得および電流密度が均一化される。これにより、閾値電流密度が低くなり、素子寿命が伸びて信頼性が向上する。
【００３８】
（光学モジュール）
図３は、このような半導体レーザ１０を備えた光学モジュールの構成を概略的に表したものである。この光学モジュール１００は、高速光通信システムにおいて光信号と電気信号とを変換するＦＥＭ（フロントエンドモジュール）などとして用いられるものであり、基体１０１上に、送信部１１０と受信部１２０とを備えている。送信部１１０および受信部１２０には、図示しないコネクタを介してファイバ１３０，１４０がそれぞれ接続されている。
【００３９】
送信部１１０は、例えば、上述した半導体レーザ１０およびこの半導体レーザ１０を駆動するドライバ１１２を有している。ドライバ１１２としては、公知のドライバＩＣ（Integrated Circuit；集積回路）を用いることができる。
【００４０】
受信部１２０は、例えば、光電変換素子（フォトダイオード）１２１およびＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプリファイア）やＬＩＡ（リミティングインピーダンスアンプリファイア）等の増幅器１２２を備えた一般的なものである。
【００４１】
この光学モジュール１００では、送信部１１０において、外部から供給された電気信号Ｓ１に基づいてドライバ１１２により半導体レーザ１０が駆動され、光信号Ｐ１がファイバ１３０を介して送信される。また、受信部１２０において、ファイバ１４０を介して供給された光信号Ｐ２が光電変換素子１２１に入射して電気信号に変換され、この電気信号が増幅器１２２により増幅され、必要な変換処理が加えられて電気信号Ｓ２として外部へ出力される。ここで、光学モジュール１００は、本実施の形態による半導体レーザ１０を備えているので、光の送受信により信号を伝播することによりＧｂｐｓ（ギガビット毎秒）以上の高速伝送が可能になると共に、半導体レーザ１０の優れた信頼性により光学モジュール１００の信頼性も向上する。
【００４２】
以上のように本実施の形態の半導体レーザ１０では、活性層１６に不純物として炭素を添加するようにしたので、この不純物としての炭素により、井戸層１６Ａにおいてインジウムが偏析することを抑え、活性層１６の井戸層１６Ａと基板１１との格子不整合性が２％以上と大きくなっても、井戸層１６Ａ内で濃度が局所的にばらつくことを抑制することができる。よって、井戸層１６Ａ内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができる。これにより、閾値電流密度が低下し、素子寿命が伸びると共に信頼性が向上する。従って、この半導体レーザ１０を用いた光学モジュール１００においても、信頼性が向上する。
【００４３】
なお、本実施の形態では、活性層１６の井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂが不純物として炭素を含有している場合について説明したが、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂのうち少なくとも一方が不純物として炭素を含有していればよい。例えば、障壁層１６Ｂのみが不純物として炭素を含有していても拡散等により上述した効果を得ることが可能である。また、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの両方が不純物として炭素を含有していればより好ましく、井戸層１６Ａのみが不純物として炭素を含有していれば最も好ましい。より高い効果が得られるからである。
【００４４】
また、本実施の形態では、半導体レーザ１０の活性層１６の井戸層１６ＡがＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成されている場合について説明したが、井戸層１６ＡはＧａＩｎＮＡｓ混晶以外の他の材料により構成されていてもよい。井戸層１６Ａの他の構成材料としては、例えばＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶，ＧａＮＡｓ混晶またはＧａＮＡｓＳｂ混晶が挙げられる。
【実施例】
【００４５】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００４６】
（実施例１〜６）
上記実施の形態と同様にして、図１に示した半導体レーザ１０を作製した。その際、活性層１６の井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの成長工程において炭素原料としてＣＢｒ4 を供給することにより、活性層１６の井戸層Ａおよび障壁層１６Ｂに不純物として炭素を添加した。炭素の濃度は、ＣＢｒ4 の流量を制御することにより、実施例１では２．５×１０16（ｃｍ-3）、実施例２では６．０×１０16（ｃｍ-3）、実施例３では１．３×１０17（ｃｍ-3）、実施例４では３．０×１０17（ｃｍ-3）、実施例５では８．５×１０17（ｃｍ-3）、実施例６では１．６×１０18（ｃｍ-3）と変化させた。なお、各実施例１〜６における炭素の濃度は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry ；二次イオン質量分析）法により測定した。
【００４７】
得られた実施例１〜６の半導体レーザ１０について、エージング試験を行った。そのうち、実施例１，２，４，６の結果を図４に示す。また、実施例１〜６の半導体レーザ１０について、炭素の濃度と寿命との関係を図５に示す。
【００４８】
図４から分かるように、実施例１，２，４では、炭素の濃度が高いほど動作電流量は低くなり、実施例４では動作電流量３０ｍＡ以下、寿命は約１０3 ｈ以上と極めて良好な結果が得られた。しかし、実施例４よりも更に炭素の濃度を高くした実施例６では、実施例２と略同等の値しか得られなかった。また、図５から分かるように、素子寿命は炭素の濃度が大きくなるほど長くなり、実施例４に相当する３．０×１０17（ｃｍ-3）付近で極大値を示したのち再び短くなる傾向がみられた。炭素の濃度が５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下の範囲では約１０2 ｈ以上の長寿命が得られ、更に、１×１０17（ｃｍ-3）以上１×１０18（ｃｍ-3）以下の範囲では約６×１０2 ｈ以上と、より長くすることができた。
【００４９】
このように不純物としての炭素の濃度を最適化することにより動作電流量および寿命を改善することができたのは、井戸層１６Ａにおいてインジウムの偏析が抑えられ、井戸層１６Ａの基板１１に対する格子不整合性が大きくても、井戸層１６Ａ内で濃度がばらつくのを抑制することができたからであると推測される。これにより、井戸層１６Ａ内に状態密度の分布が生じるのを抑えて均一な利得を得ることができ、電流密度を均一化することができたものと考えられる。なお、不純物としての炭素によりインジウムの偏析が抑制される理由については、ラティスハードニング、すなわち炭素の添加により結晶格子が堅牢化されて転位が増殖しにくくなったこと、あるいはサーファクタント効果、すなわちインジウムの凝集が防止されて活性層１６の結晶性が向上したこと等が考えられる。
【００５０】
すなわち、不純物としての炭素の濃度を５×１０16（ｃｍ-3）以上２×１０18（ｃｍ-3）以下の最適な範囲内とすれば、動作電流量を低減することができると共に、素子寿命を伸ばして信頼性をより向上させることができることが分かった。
【００５１】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。
【００５２】
例えば、上記実施の形態および実施例においては、第１クラッド層１２ないしコンタクト層２１をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＢＥ法などの真空系成長方法を用いてもよい。このようにＭＢＥ法を用いる場合、活性層１６に不純物として炭素を添加する方法としては、例えば、Ｋ−ｃｅｌｌ内に配置した炭素を加熱するようにすればよい。
【００５３】
また、上記実施の形態および実施例では、半導体レーザの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を更に備えていてもよい。
【００５４】
更に、上記実施の形態および実施例では、ｎ型の基板１１上に、ｎ型導電性を有する第１クラッド層１２ないし第１光ガイド層１５，活性層１６，およびｐ型導電性を有する第２光ガイド層１７ないしコンタクト層２１が、基板１１側から順に積層された場合について説明したが、ｐ型または絶縁性の基板上に、ｐ型導電性を有する第１クラッド層ないし第１光ガイド層，活性層，およびｐ型導電性を有する第２光ガイド層ないしコンタクト層が、基板側から順に積層された構成としてもよい。
【００５５】
加えて、上記実施の形態および実施例では、端面出射型半導体レーザの場合について説明したが、本発明はレーザ形態に依存するものではなく、例えば面発光レーザにも適用可能である。
【００５６】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、半導体レーザを例として説明したが、本発明は半導体レーザ以外にも、受光素子あるいはＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor ；高電子移動度トランジスタ），ＦＥＴ（Field Effect Transisitor；電界効果トランジスタ）などの他の半導体素子にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明による半導体発光素子およびその製造方法は、例えば、光ファイバ通信あるいは光配線の光源などとして用いられる通信用レーザおよびその製造に好適である。また、本発明による光学モジュールは、画像情報をベースバンドで転送するシステムまたはＬＡＮ（Local Area Network）／ＳＡＮ（Storage Area Network）などのシステムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した活性層のバンド構造を概略的に表す図である。
【図３】図１に示した半導体レーザを備えた光学モジュールの構成を模式的に表す図である。
【図４】本発明の実施例の結果を表す特性図である。
【図５】本発明の実施例の結果を表す特性図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１…基板、１２…第１クラッド層、１３…第２クラッド層、１４…第３クラッド層、１５…第１光ガイド層、１６…活性層、１６Ａ…井戸層、１６Ｂ…障壁層、１７…第２光ガイド層、１８…第４クラッド層、１９…第５クラッド層、２０…第６クラッド層、２１…コンタクト層、２２…絶縁層、３１…ｐ側電極、３２…ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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